Previsão do Comportamento Mecânico e Otimização de Placas em Material Compósito Híbrido

103 Pages·2016·2.94 MB·English

Previsão do Comportamento Mecânico e Otimização de
Placas em Material Compósito Híbrido

Iúri Marcelo Pinheiro Figueiredo

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Aeroespacial

Orientadores: Prof. Virgínia Isabel Monteiro Nabais Infante
l Prof. José Firmino Aguilar Madeira
ll Prof. Filipa Andreia de Matos Moleiro Duarte

Júri
Presidente: Prof. Fernando José Parracho Lau
Orientador: Prof. Virgínia Isabel Monteiro Nabais Infante
Vogal: Prof. Aurélio Lima Araújo

Junho 2016
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Agradecimentos

Como autor desta dissertação desejo expressar os meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas
e instituições que me apoiaram e que contribuíram para o seu desenvolvimento, mas gostaria de
destacar:
A minha orientadora, Professora Virgínia Infante, pela oportunidade de realizar este trabalho e pela
disponibilidade, acompanhamento e apoio ao longo de todas as etapas, principalmente na realização
dos ensaios experimentais.
O meu coorientador, Professor José Aguilar Madeira, pelo tempo e a ajuda imprescindível na
implementação da otimização.
A minha coorientadora, Professora Filipa Moleiro Duarte, pelos conselhos relacionados com a teoria de
compósitos e modelos computacionais.
O Capitão Diogo Duarte, por todas as boleias para a Base Aérea Nº 1 e para a Base Aérea Nº 6 e pela
ajuda no processo de pós-cura e corte dos provetes.
O Major Aurélio Santos, por toda a ajuda no processo de fabrico dos provetes.
O Centro de Investigação da Academia da Força Aérea pelo uso dos seus equipamentos e pelo
fornecimento do material necessário para produzir os provetes.
A nível pessoal, gostaria de agradecer à minha família pelo apoio e dedicação incondicional. Quero
agradecer também a todos os meus amigos pela compartilha e confiança que sempre me
disponibilizaram, em especial ao Miguel Ferreira e à Rita Angélico.
Por fim, quero agradecer à Marisa Rodrigues, sem o seu carinho e paciência, os últimos meses teriam
sido mais difíceis de ultrapassar.

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Resumo
Desde 1996, a Força Aérea Portuguesa tem feito grandes investimentos no projeto designado
por Programa de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Não-Tripulados (PITVANT). Após o
sucesso na construção de alguns protótipos, avalia-se agora a utilização destas aeronaves em diversas
funções operacionais. Através da hibridização de compósitos de fibra de carbono, com a adição de
fibras de vidro, é possível criar novos materiais compósitos leves, que são simultaneamente mais
dúcteis, mais resistentes a impactos e têm um menor custo associado, podendo ter diversas aplicações
em componentes estruturais dos VANT.
Foram realizados um estudo computacional e um experimental a fim de determinar as
deformações de provetes, em material compósito híbrido laminado, quando submetidos a diferentes
esforços de flexão-torção.
Os provetes foram produzidos com diferentes esquemas de laminação utilizando hand lay-up,
com reforços de fibra de carbono e de fibra de vidro em uma matriz epoxídica. As propriedades elásticas
das lâminas foram calculadas através um método numérico baseado na teoria de homogeneização
(PREMAT). As simulações computacionais dos testes experimentais foram realizadas no ANSYS
Workbench. Os resultados dessas simulações foram analisados e comparados com os resultados
experimentais.
A otimização dos provetes foi realizada utilizando o GLODS, um método de otimização global
uni-objetivo que usa uma estratégia multistart eficaz. A função objetivo foi a minimização do valor
máximo de deslocamento, que foi obtida por meio de uma interação em ciclo entre modelos GLODS e
ANSYS APDL. Por fim, são obtidas duas sequências de laminado otimizadas para o provete estudado
nos diferentes ensaios experimentais.

Palavras-chave: Compósitos híbridos, fibras de carbono e vidro, propriedades elásticas, método dos
elementos finitos, otimização.

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Abstract
Since 1996, the Portuguese Air Force has made major investments in the Program for Research
and Technology in Unmanned Aerial Vehicles (PITVANT). After successfully building some prototypes,
the use of these aircrafts in various operating conditions is now being evaluated. Through hybridization
of carbon fiber composites, with the addition of glass fibers, it is possible to create new lightweight
composite materials that are simultaneously more ductile, with more impact resistance and have lower
associated costs, with the opportunity of being applied in various structural components of UAV’s.
A computational and experimental study was performed in order to determine the deformations
of specimens made of laminated hybrid composite materials when submitted to different bending-torsion
loadings.
The specimens were produced with different lamination schemes using hand lay-up, with carbon
fiber and glass fiber reinforcements in an epoxy matrix. The elastic properties of the plies were
calculated using a numerical method based on the homogenization theory (PREMAT). The
computational simulations of the experimental tests were performed in ANSYS Workbench. The results
of these simulations were analyzed and compared with the experimental results.
The optimization of the specimens was carried out using GLODS, a single objective global
optimization method that uses an efficient multistart strategy. The objective function was the
minimization of the maximum displacement value, which was obtained through an interactive cycle
between GLODS and ANSYS APDL models. Two optimized laminate stacking sequences of the
specimen are obtained for the simulated experimental tests.

Keywords: Hybrid composites, carbon and glass fibers, elastic properties, finite element method,
optimization.

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Índice
Agradecimentos ................................................................................................................................... iii
Resumo................................................................................................................................................... v
Abstract ................................................................................................................................................ vii
Índice ..................................................................................................................................................... ix
Lista de Figuras ................................................................................................................................... xii
Lista de Tabelas .................................................................................................................................. xvi
Nomenclatura ...................................................................................................................................... xix
1 Introdução ...................................................................................................................................... 1
1.1 Enquadramento ..................................................................................................................... 1
1.2 Objetivos ................................................................................................................................ 3
1.3 Estrutura da tese ................................................................................................................... 3
2 Revisão bibliográfica ..................................................................................................................... 4
2.1 Introdução .............................................................................................................................. 4
2.2 Definição e vantagens dos compósitos híbridos ................................................................... 4
2.3 Classificação e características dos compósitos híbridos ...................................................... 6
2.4 Constituintes .......................................................................................................................... 7
2.4.1 Fibra de carbono ....................................................................................................... 8
2.4.2 Fibra de vidro ............................................................................................................ 9
2.4.3 Resina epóxi ........................................................................................................... 10
2.5 Aplicações na indústria aeronáutica ..................................................................................... 11
2.6 Efeito híbrido ....................................................................................................................... 13
2.7 Constantes elásticas de materiais ortotrópicos ................................................................... 15
2.8 Teoria de Deformação de Corte de Primeira Ordem ........................................................... 16
2.9 Critérios de falha ................................................................................................................. 19
2.9.1 Máxima tensão ....................................................................................................... 20
2.9.2 Máxima extensão .................................................................................................... 20
2.9.3 Tsai-Hill ................................................................................................................... 21
2.9.4 Tsai-Wu................................................................................................................... 22
2.10 Otimização ........................................................................................................................... 23

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3 Procedimento experimental ........................................................................................................ 26
3.1 Materiais e processo de fabrico dos provetes ..................................................................... 26
3.1.1 Materiais ................................................................................................................. 26
3.1.2 Características dos provetes híbridos .................................................................... 27
3.1.3 Processo de fabrico dos provetes híbridos ............................................................ 29
3.1.4 Propriedades elásticas das lâminas ....................................................................... 31
3.2 Ensaios experimentais ........................................................................................................ 36
3.2.1 Procedimento experimental .................................................................................... 36
3.2.2 Registo dos deslocamentos ................................................................................... 37
4 Modelação numérica ................................................................................................................... 41
4.1 Introdução ............................................................................................................................ 41
4.2 Propriedades das lâminas e geometria ............................................................................... 43
4.3 Definição do laminado ......................................................................................................... 44
4.4 Tipo de elementos escolhidos ............................................................................................. 45
4.5 Definição da malha e estudos de convergência ................................................................. 46
4.6 Condições de fronteira e carregamento .............................................................................. 49
4.7 Pós-processamento ............................................................................................................. 50
5 Apresentação, comparação e análise de resultados ............................................................... 52
5.1 Apresentação e comparação de resultados ........................................................................ 52
5.2 Análise de resultados .......................................................................................................... 55
6 Otimização .................................................................................................................................... 59
6.1 Validação do modelo ANSYS APDL .................................................................................... 59
6.1.1 Adaptação do modelo para laminados híbridos ..................................................... 60
6.1.2 Comparação de resultados .................................................................................... 62
6.2 Otimização GLODS ............................................................................................................. 64
6.3 Apresentação e análise de resultados da otimização ......................................................... 65
7 Conclusões gerais e propostas de investigação complementar ........................................... 67
7.1 Conclusões gerais ............................................................................................................... 67
7.2 Propostas de investigação complementar .......................................................................... 69
8 Referências................................................................................................................................... 70
ANEXO A .............................................................................................................................................. 77

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